利用普通紅外光學(xué)材料實(shí)現(xiàn)的大視場(chǎng)光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化系統(tǒng)應(yīng)用于當(dāng)前新型高分辨率、大面陣紅外探測(cè)器時(shí)存在透鏡數(shù)量多，不易實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化的技術(shù)問(wèn)題。為此，引入了低折射率溫度系數(shù)的硫系玻璃，并設(shè)計(jì)了一種工作波段為8~12um、視場(chǎng)為40°X32.5°、F數(shù)為1.0且適配1280X1024探測(cè)器的光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化成像光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在一55℃~70℃的工作溫度范圍內(nèi)，探測(cè)器特征頻率421p/mm處的光學(xué)傳遞函數(shù)（ModulationTransferFunction，MTF）值均大于0.35，系統(tǒng)成像性能良好，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

引言

近年來(lái)，隨著紅外探測(cè)器制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，非制冷紅外探測(cè)器在提高靈敏度及幀頻的同時(shí)擴(kuò)大了陣列規(guī)模、減小了像元間距，從而實(shí)現(xiàn)了高分辨率。這就提升了非制冷紅外系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力，使得該系統(tǒng)在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用成為可能。

在國(guó)外，美國(guó)Raytheon公司開(kāi)發(fā)了陣列規(guī)模為2048X1536、像元間距為17μm的大面陣非制冷紅外探測(cè)器；英國(guó)BAE公司開(kāi)發(fā)了陣列規(guī)模為1920X1200、像元間距為12μm的大面陣非制冷紅外探測(cè)器。在國(guó)內(nèi)，武漢高德紅外股份有限公司實(shí)現(xiàn)了陣列規(guī)模為1280X1024、像元間距為12μm的非制冷長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的量產(chǎn)；煙臺(tái)艾睿光電科技有限公司也開(kāi)發(fā)了陣列規(guī)模為1280X1024、像元間距為12μm 的氧化釩非制冷紅外焦平面探測(cè)器；北方廣微科技有限公司研制的像元間距為17μm的2048X1536全畫(huà)幅非制冷紅外探測(cè)器可適用于各個(gè)軍民高端應(yīng)用領(lǐng)域。 在工程應(yīng)用中，光學(xué)鏡頭的靶面應(yīng)大于探測(cè)器的靶面，否則可見(jiàn)光系統(tǒng)和紅外系統(tǒng)就會(huì)分別出現(xiàn)圖像四角發(fā)暗和圖像四角發(fā)白的現(xiàn)象。當(dāng)前新型1280X1024紅外探測(cè)器的靶面大，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大。因此，研究能夠適配這種高分辨率、大面陣紅外探測(cè)器的無(wú)熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)具有重要意義。

由于溫度變化會(huì)造成紅外光學(xué)材料的折射率發(fā)生明顯改變，當(dāng)紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，成像光學(xué)系統(tǒng)的像面會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，從而造成系統(tǒng)成像性能下降。因此，對(duì)于工作環(huán)境溫度變化較大的紅外光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)，以消除或減小溫度效應(yīng)對(duì)成像質(zhì)量的影響，使得光學(xué)系統(tǒng)在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)保持良好的成像性能。

本文針對(duì)像元間距為12μm的1280X1024非制冷紅外探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一種工作波段為8~12μm、視場(chǎng)為40°X32.5°、F數(shù)為1.0的大視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中引人了折射率溫度系數(shù)較小的硫系玻璃。結(jié)果表明，在進(jìn)行大視場(chǎng)、大面陣無(wú)熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，硫系玻璃可以在減少透鏡數(shù)量的同時(shí)減少透鏡表面非球面的應(yīng)用數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在不同溫度條件下探測(cè)器所對(duì)應(yīng)的特征頻率42lp/mm處的MTF值均大于0.35，成像性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝調(diào)效率高，可廣泛應(yīng)用于工作溫度范圍變化較大的安防監(jiān)控、夜視導(dǎo)航、小型機(jī)載光電系統(tǒng)等軍民領(lǐng)域。 1 設(shè)計(jì)思路不同紅外光學(xué)材料具有不同的熱特性。光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)中不同熱特性材料之間的組合來(lái)消除溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像的影響，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。此類(lèi)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、裝配效率高的特點(diǎn)，適用于批量化生產(chǎn)。 硫系玻璃是含有硫系元素 S、Se、Te中的一種或幾種，同時(shí)還含有Ge、 Si、As、Sb等元素中的一種或幾種的非晶態(tài)材料，其紅外透過(guò)范圍為1~14μm，在近紅外至遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)均具有良好的光學(xué)透過(guò)性能。其次，硫系玻璃的轉(zhuǎn)變溫度較低、化學(xué)穩(wěn)定性良好，可以進(jìn)行精密模壓加工。此外，由于折射率溫度系數(shù)低、色散系數(shù)小，硫系玻璃可作為消色差及消熱差無(wú)熱化設(shè)計(jì)中的紅外材料使用。

圖1.彎月形負(fù)透鏡前組光線發(fā)散示意圖

圖2.光學(xué)系統(tǒng)的三維光路圖

結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)展了硫系玻璃在寬溫紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究。針對(duì)目前陣列規(guī)模為1280X1024、像元間距為12μm 的新型高分辨率非制冷長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一種溫度范圍為﹣55℃~70℃、視場(chǎng)為40°X32.5°的非制冷長(zhǎng)波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在不同溫度條件下成像性能良好，將在工作溫度范圍變化較大的安防監(jiān)控、夜視導(dǎo)航、小型機(jī)載光電系統(tǒng)等軍民領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。下一步的研究重點(diǎn)是利用硫系玻璃實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷